APRS客户端软件系统设计与开发(1)

APRS客户端软件系统设计与开发(1)APRS客户端软件系统设计与开发(1) 目录摘要...........................................................................................................................1 Abstract.......................................................................................................

APRS客户端软件系统设计与开发(1) 目录摘要...........................................................................................................................1 Abstract.....................................................................................................................1 前言...........................................................................................................................2 第一章APRS基础..................................................................................................3 1(1 APRS的历史与发展.............................................................................3 1(2 APRS基本系统组成与设备.................................................................3 1(2(1 APRS基本系统组成................................................................3 1(2(2 APRS的设备............................................................................4 1(3 APRS工作原理与运用.........................................................................5 1(4 APRS的协议.........................................................................................6 1(4(1 APRS-IS....................................................................................6 1(4(2 APRS数据格式 ........................................................................7 1(5 本章小结................................................................................................9 第二章 APRS客户端软件系统总体设计.............................................................10 编程语言与程序类型选择....................................................................10 2(1 2(2 地图类型选择........................................................................................12 2(3 功能介绍................................................................................................14 2(4 模块划分................................................................................................15 2(5 本章小结................................................................................................17 第三章 APRS客户端软件系统详细开发..............................................................18 3(1 网页编程模块详细开发........................................................................18 Swing编程模块详细开发.....................................................................21 3(2 3(2(1 类开发.......................................................................................21 3(2(2 技术难点及解决之法...............................................................25 3(3 Socket编程模块详细开发....................................................................29 3(3(1 类开发.......................................................................................29 3(3(2 技术难点及解决之法...............................................................31 3(4 本章小结................................................................................................33 第四章总结.............................................................................................................34 参考文献...................................................................................................................35 APRS客户端软件系统设计与开发摘要 APRS是自动位置报告系统(Automatic Position Reporting System)的简称，它是业余无线电操作者能迅速的将实时事件的相关数据发布出去，并在接收端的计算机上图形化的表示这些数据的软硬件系统。自从1992年诞生以来，APRS 得到了很大的发展，在很多领域都有了广泛的应用。而一个以包含Java Applet 的网页形式进行发布的APRS客户端软件系统，一定会因为它的使用方便，以至于能让没有任何无线电知识和计算机知识的人都可以顺利使用而大受欢迎，这也将有助于APRS的继续发展和普及。关键词 APRS，自动位置报告系统，客户端，Java，Applet，Swing，Socket，Servlet Abstract APRS is short for Automatic Position Reporting System.It is a software and hardware system that can be used by amateur radio operators to send the data about real-time events rapidly and show the data on the receiver’s computers graphically.Since it was born in 1992,APRS has gained a great progress and has been used in a lot of areas.An APRS client software system released in the form of web pages which contain Java Applet must be popular for its convenience.People without any knowledge about radio and computer also can use the system successfully,which is helpful to APRS’s continuing development and popularization. Key Words APRS, Automatic Position Reporting System, client, Java, Applet, Swing, Socket, Servlet 前言 APRS客户端软件系统是APRS的重要组成部分，它是直接与用户进行交互的部件，它的好坏直接影响用户对整个APRS系统的评价。我们的目标是设计开发一个使用极其简便，只要会上网的人都可以使用的APRS客户端软件系统。本文分四个章节对本系统的设计开发进行的介绍，第一章介绍了APRS的基本知识，使大家可以认识APRS;第二章对系统进行了总体设计，把系统划分为三个模块;第三章分模块对系统进行了详细的开发，介绍了每个模块中重要的类以及开发过程中遇到的技术难题的解决;第四章对整个毕业设计进行了总结。第一章 APRS基础要设计和开发APRS客户端软件，就必须先要了解什么是APRS。APRS是自动位置报告系统(Automatic Position Reportig System)的简称，它是一项新兴的业余无线电活动内容，业余无线电操作者能迅速的将实时事件的相关数据发布出去，并在接收端的计算机上图形化的表示这些数据的软硬件系统。它将无线电数据通信、全球卫星定位系统(GPS)、计算机和因特网有机结合，引起了众多业余无线电爱好者的兴趣。它不仅提供了诸如位置跟踪、气象信息等有用的服务,而且在业余无线电应急通信(ARES)以及紧急遇险救援时发挥重要作用，同时APRS还为技术爱好者提供了一个广阔的平台，许多其它应用都等待着我们的进一步开发。 1(1 APRS的历史与发展 1992年，被称为“APRS之父”的美国爱好者Bob Bruninga，WB4APR在APRL和TAPR数字通信会议第一次引入了APRS的名称。初期的APRS是完全建立在传统业余无线电分组通信的基础上的。1999年美国爱好者Steve Dimse，K4HG引入了APRS第一个因特网的接口，APRS的传输媒介出现了无线分组通信和因特网共存的局面。APRS软件和硬件的迅速增加印证了APRS的飞速发展。从1992年到1999年，只出现了6个应用软件，而现在，应用软件的数量已然超过20个。新版的TNC一般都增加了对GPS和APRS的支持。另外，一些新的专门为APRS设计的硬件也日益增多，比如兼容TAPR TNC2的UIDIGI，它烧入ROM后可将旧的TAPR TNC2改造成专门用于APRS的数字中继，又如Tinytrak，它将GPS数据转换成无线分组通信的发射音调，专门用于设置APRS发射台。 1(2 APRS基本系统组成与设备 1(2(1 APRS基本系统组成 APRS基本系统包含:全球定位系统(GPS)接收器、分组终端节点控制器(TNC)、业余无线电(电台、天线)、计算机和APRS软件。图1.1 APRS基本系统组成 GPS接收器只要含有NMEA,0183格式的数据输出都能用于APRS。APRS不需要任何特殊的电台设备。任何能通过无线电管理部门检测，频率稳定，话音失真比较小的电台设备都可使用。用于APRS的计算机的规格需求也因不同的APRS软件版本而异，市场上近几年的计算机一般都可应用于APRS。在计算机上连接设置TNC或GPS，目前还常常通过计算机的串口来完成。现在很多笔记本电脑上不配备串口，则只能通过USB转串口线来解决。USB端口的TNC和GPS现也已出现。如果你希望将 APRS电台同时作为IGate，则性能稳定的因特网宽带接入是必须的。TNC可使用硬件解决，也可通过计算机声卡和软件来虚拟TNC。 APRS的软件很多，可在Mac、PC、笔记本和PDA上工作，运行于LINUX、MAC、WINDOWS、DOS等操作系统。以下是三个基于Windows系统的软件。 UI,View 32bit V2.03是由已故英国爱好者G4IDE开发。支持Windows 98/2000/XP，功能强大，风靡欧洲，正席卷全球。也是国内爱好者使用最多的软件。 WinAPRS是美国最为流行的APRS软件，支持精确地图。 AGWPE声卡TNC是SV2AGW的作品，界面完全图形化，非常美观，操作简便。但占用大量CPU资源，运行慢。其它软件还有MacAPRS、APRS/CE、XASTIR等等。 1(2(2 APRS的设备 APRS的设备大抵分为APRS电台、无线数字中继、APRS网关、APRS服务器等。在整个APRS中，各电台地位是均等的，既可以把自己的位置数据发给所有的电台，也可以接收来自所有电台的位置数据。我们把能接收和发送APRS数据包的电台称为APRS电台。APRS电台可以细分成几类。第一类是仅作发送的电台，比如，一个装在汽车上的不断发送经纬度数据的电台，一个不断发送气象信息的电台等。这种电台的构成包括数据源(GPS接收器、气象传感器等)、数据变换和处理器(即终端电台控制器TNC)和数据发送器(无线电发射机)，TNC的作用是将数据源的数据变换成APRS的格式，调制后送给发射机发送。第二种是仅作接收的电台，一个连接因特网并运行APRS软件的计算机就是最简单的接收电台，在没有因特网接入的环境下，无线电接收机、TNC和单片机为核心的LCD显示器或者笔记本电脑也可构成接收电台。这种电台的构成包括数据接收器(因特网或无线电接收机)、数据变换和处理器(TNC或者声卡加软件)、数据显示设备(运行软件的计算机或者单片机为核心的LCD显示器)。第三种就是接收和发送电台的合一，一个连接GPS接收机、连接因特网并运行APRS软件的计算机，一个终端加TNC加收发信机(即典型的分包通信设备)都可以成为收发合一的APRS电台。由于电台的发射范围有限，所以人们在分组通信系统中采用了无线数字中继。无线数字中继实际上就是一个分组通信电台，只不过它只负责转发分组数据，不产生或者最终处理数据。 APRS中，业余无线分组网络与英特网的互联由IGate完成。它承担无线分组网络的AX.25分组与英特网上的TCP/IP分组的转换与转发。 APRS服务器提供 APRS的英特网直接接入。也就是说，如果只是为了了解APRS，无需购买昂贵的终端节点控制器和电台，也就不必拥有电台执照，可以通过因特网接入APRS服务器，就可以向全球的APRS宣告你的存在，并查看全 View软件，支持无线分组,无线分组、无线分球APRS的所有信息。比如UI, 组,因特网、因特网,因特网三种方式的APRS通信。其最主要的功能是将接收到的APRS数据中的经纬度数据转换成电子地图上的物体并显示出来。当然，你可以通过周期性的向APRS服务器发送自己的APRS数据包告诉世界你的位置。 1(3 APRS工作原理与应用 APRS系统使用无线分组通信(Packet Radio)将数据进行发布。在传统的无线分组通信操作中，通信是使用有连接分组基于一对一产生的，即，两个电台是虚拟的互相连接的。在APRS中，电台使用无连接分组基于一对多进行数据传播，类似于广播电台和听众的关系，所以，将“听众”的范围扩展到所有可以接收到该分组的电台。 APRS使用传统无线分组通信的“信标”(Beacon)功能完成这种模式的通信。一个APRS分组以某种特定格式包含电台位置(经度和纬度)和电台类型(家中的、便携的、移动的、数字中继、气象站等)信息，使处于接收APRS电台端的计算机上运行的软件可以处理包含的信息，并在地图上显示相对应的图标，显示发信标电台的位置。如果APRS电台是那种处于移动之中的便携或者移动电台，当收到位置更新的新位置分组后，APRS在地图上改变图标的位置。移动APRS电台包含一个普通电台、TNC和GPS(全球定位系统)接收器。GPS接收器接收地球轨道卫星信号自动计算其位置并传送给TNC，通过TNC的处理将位置数据转换成音频信号，此音频信号通过电台发送出去更新APRS接收端地图上移动APRS电台的位置。在家庭固定APRS电台中，由于位置是固定的，一般不需要GPS接收器，只需要事先将家庭的经纬度数据设置到APRS应用软件中，当需要的时候，软件发送已事先设置的位置信息给TNC，TNC再转发给电台以便发射。除了跟踪移动电台，APRS也可以向系统输入对象位置的方式跟踪任何对象。比如，你可以输入一个飓风的经纬度，则飓风的位置就可以出现在任何该信道的APRS电台的地图上。在气象应用中，你可以将气象监测设备的接口连接到APRS电台以便向其它电台发布实时气象信息。APRS可使用数字中继(Digipeater)进行转信，扩大APRS使用区域。为了将APRS传播到整个世界，有的APRS电台作为IGate(因特网网关)将接收到的APRS分组转发到因特网上的服务器。这些服务器将世界上实时的APRS数据搜集并转发，有的还提供Web页面的格式，以便让用户通过支持Java的网络浏览器查看APRS活动。 1(4 APRS的协议 1(4(1 APRS,IS DigipeaterDigipeater 图 1,3 APRS,IS核心体系结构 APRS,IS(Automatic Position Reporting System-Internet Service)是一种基于Internet的网络的通称，这种网络相互连接了遍及全世界的各种APRS无线电网络。其中的APRS网关负责射频(RF)网络的AX.25分组和Internet网络的TCP/IP分组的转换和转发。 (4(2 APRS数据格式 1 在链路层，APRS使用AX.25协议，专有的利用未编号信息(UI,Unnumbered Information)帧。这意味着APRS以无连接模式运行，AX.25帧被传送出去并不期望任何相应，另一端的接收也没有保证。 AX.25 UI帧的格式如图1,4所示。图 1,4 AX.25 UI帧格式 , Flag —— 位于帧的两端，是个位串，值为0x7e，用来分隔每一个帧。 , Destination Address —— 这个域可以包含一个APRS的目的地呼号或者 APRS数据。APRS数据被编码以保证这个域符合标准的AX.25呼号的格式 (比如，6个数字或文字字符加上一个SSID)。如果SSID非零，它指定了一个普通的APRS数字中继路径。 , Source Address —— 这个域包含发送电台的呼号和SSID。在某些情况下，如果SSID非零，它指定了一个APRS显示的符号码。 , Digipeater Address —— 包含0到8个数字中继的呼号。 , Control Field —— 这个域被设为0x03(UI帧)。 , Protocal ID —— 这个域被设为0xf0。 , Information Field —— 这个域包含更多的APRS数据。第一个字符是APRS 数据类型标识符。 , Frame Check Sequence —— 这个域用来校验收到的帧的完整性。 Source Address的SSID如图 1,5所示。图 1,5 Destination Address的SSID如图1,6所示。图 1,6 Information Field如图 1,7所示。图 1,7 1(5 本章小结 APRS作为一种新兴的业余无线电活动，正被中国的业余无线电爱好者所关注。无论台湾、香港还是大陆的HAM们都已开始进行实践。在本章中，从APRS的历史与发展开始，我们初步了解了APRS的硬件，软件，设备，工作原理，协议等方面，对APRS既有了整体的概念，也有了细节的理解，为设计开发良好的APRS客户端软件系统打下了基础。第二章 APRS客户端软件系统总体设计 APRS客户端软件是APRS基本系统的重要组成部分，它主要负责电子地图的绘制和APRS电台的显示，完成自动位置报告的功能。如果没有APRS客户端软件的配合，硬件和其它软件的功能再强大也是无济于事的，因为用户无从得知APRS电台的位置，也就不存在自动位置报告了。为了避免APRS成为具有丰富无线电知识和计算机知识的专业人士的专利，为了让APRS普及到一般用户，一个简单易用、直观明了的APRS客户端软件就成了关键。我们的目标就是设计开发一个“傻瓜”型的APRS客户端软件系统，用户不必具有任何的无线电知识和丰富的计算机知识，只要会上网，就可以顺利地使用。下面我们就从编程语言和程序类型的选择、地图类型的选择、功能介绍、模块划分几个方面对系统作一个总体设计。 2(1 编程语言与程序类型选择 Java语言自从1996年2月SUN公司正式发布以来，因其广泛的用途及在Web上的独特功能，越来越来受到计算机程序员的喜爱，正在成为全世界成千上万的程序员广泛使用的现代技术。正如比尔?盖茨所说:“Java是有史以来最卓越的编程语言”。 Java语言可以创建三类程序:Application Program(应用程序)、Applet(小应用程序)、Handler(处理程序)。通常的应用程序(Application Program)是运行在本地计算机上的，即通过敲入命令或用鼠标双击来运行。Java的Applet不同于通常的应用程序，甚至不同于Java的应用程序。Applet是专门设计成在Web页面中运行，它只能运行在浏览器环境内。当一个Java Applet设计好后，必须嵌入到Web页面中。其方法是通过HTML命令描述Applet，用HTML文件的标记来调用并且当Web浏览器载入Web页面时同时载入Applet。当用户访问这个页面时，它就被下载到用户的计算机中开始运行。因为Applet每次运行都必须从Web上下载到用户的计算机中，所以比Applet比大多数应用程序小，这样可以减少Applet的下载时间，故有人称Applet为小应用程序。 Java Applet的这一独特特点使得Java成为最适合于Web网络的编程语言。当然，测试小应用程序是可以在浏览器之外使用Applet Viewer工具运行，而不需要浏览器的辅助。这是为了有助于方便地开发程序，从而减少启动浏览器所需要的时间和内存。安全性对于网络访问来说是至关重要的。病毒和黑客地频频出现使得上网的人们时常为安全而担忧。Java被认为是一种安全的语言。安全性是Java语言，特别是Java Applet的重要特性，是Java环境的最根本的部分。Java使我们能够创建没有病毒和黑客的系统。 Java具有对内存的保护。Java是比C/C++简单的编程语言。与C/C++相比，Java完全抛弃了指针，不需要使用指针就可以通过引用来传递所有的数组和对象。这样做的结果是不可能进入内存地址，使程序不可能在内存的某个地址处偶然或人为地重写数据。这使得Java具有更高的安全性。 Java具有安全性检查。JVM在执行Applet字节码之前先检查它们。如果代码不是合法的Java代码，那么它就不执行。在异常的代码出现问题之前先阻塞它。比如，不允许进行对内存的非法访问、非法类访问和非法数据访问。因此，潜在的病毒就没有办法访问数据结构、对象和内存地址。 Applet访问资源有所限制。对于Applet来说，它的安全性还在于:所有的Java Applet程序都被当作是在受托的环境中执行未受托的代码。这就意味着从Web上下载的所有Applet程序都受限于它们到达用户机器中时他们可以做的事情。即使在通过字节码检查过程后，Applet程序也不可能访问用户计算机上的文件。它们不能在它们所在的Web服务器之外进行网络连接，这就防止了Applet程序访问除了下载它们的站点以外的Web资源。作为附加的安全手段，Applet程序被禁止执行任何代码(如外部代码库和应用程序)。由于Applet只能在Web页面运行，导致Applet在组织结构上有某些独特的特点。Applet不在运行的线程的控制之下，它仅仅对浏览者或观察者的要求作出反应。这就是说，Applet具有响应事件的能力。对于特定事件(如:当包含Applet的Web页被用户观察或离开时)，Applet是通过调用一系列标准方法(methods)来处理的。综上所述，虽然Applet的执行极受限制，通常被称为是“在沙盒里头做事情”，因为有个无形的家伙(Java执行期安全系统)时刻在进行监督。但是Applet具有足够的优点来吸引我们的目光，还有就是Applet不再有安装的问题，它拥有真正与平台无关的能力，所以不需要为不同平台修改代码，也不会让你的用户因为安装而苦恼。Applet的这些优点正是我们设计开发“傻瓜”型的APRS客户端软件系统所需要的，所以我们选择用Java语言开发一个Applet类型的APRS客户端软件系统，让用户以浏览网页的方式来使用。 2(2 地图类型选择地图是APRS客户端软件系统中最为基本的组成部分，它是自动位置报告的基础。没有地图的绘制，APRS电台的显示就没有任何意义。因为只有在地图上才能根据APRS电台的经纬度在对应的位置上画出电台的图标，完成自动位置报告的功能。 APRS地图有两种类型:向量地图和光栅地图。向量地图是一个包含计算机用来根据要求绘制地图的原始数据的文件。线条和其它对象都被定义成坐标对的形式。向量地图的特征能够被动态编辑。向量地图的线条定义如下所示。光栅地图 BEGIN LINE 32.744033,-96.894967 32.744033,-96.894833 32.743967,-96.894767 32.743933,-96.894767 32.743883,-96.894767 32.743817,-96.894767 32.743700,-96.894700 32.743567,-96.894617 32.743417,-96.894567 32.743250,-96.894517 32.743100,-96.894483 32.743000,-96.894417 32.742983,-96.894300 END 主要是一幅地图图像和一个包含相关地理信息的文件。地图特征已经确定，很难再进行修改。地图图像文件的格式有.GIF，.JPG，GeoTiff等。光栅地图是UI-View使用的地图类型，Xastir，WinAPRS等其它APRS客户端软件也能使用。由于在中国UI-View是使用最为广泛的APRS客户端软件，它的地图已广为“Ham”们所熟悉，而且UI-View地图的屏幕坐标和经纬度之间的换算也比较容易，所以我们选择UI-View地图作为我们系统所使用的地图。UI-View地图有一个特征:地图的顶部是正北方向，经度随着X轴线性变化，纬度随着Y轴线性变化。如果不符合这个特征，在进行屏幕坐标和经纬度之间的换算时就会发生错误。UI-View地图和所有的光栅地图一样，包含一个地图图像文件和一个包含相关地理信息的文本文件。这个文本文件主要包含地图左上角和右下角的经纬度。例如图2,1所示的世界地图，它的对应文本文件内容为: 180.00.00W,90.00.00N 180.00.00E,90.00.00S Base Map of The World 第一行表示左上角的经纬度，第二行表示右下角的经纬度，经度和纬度之间都用逗号隔开，W表示西半球，E表示东半球，N表示北半球，S表示南半球。经纬度采用DD.MM.mm的格式来表示，其中DD表示度，MM表示分的整数部分，mm表示分的小数部分。第三行是对地图的简单描述。图 2—1 2(3 功能介绍 Internet的迅速崛起和在全球范围内的飞速发展，使万维网(World Wide Web简称WWW或Web)成为高效的全球性的信息发布渠道。这一技术正在以很快的速度进入每家每户，它将地球变成一个小小的村落。这给了APRS普及的机会。要让缺乏无线电知识和计算机知识的人也能使用APRS，除了Internet上众多APRS服务器的强力支持外，一个使用简单、功能完善的APRS客户端也是必不可少的。根据需求，APRS客户端必须具备以下的基本功能: , 地图显示在客户端上要能直观的定位被跟踪的物体的位置，实现自动位置报告的功能，那么地图的显示是必不可少的。没有地图，就没有经纬度的概念，任何的定位之说也就成了无稽之谈。 , 地图选择要能准确的定位所有APRS电台的位置，一张世界地图是不可能完成的。由于世界地图的图片大小有限，经纬度就非常的密集，很多的APRS电台图标就会发生重叠，不能清晰的显示出来。所以客户端必须具备能让用户根据自己的需求选择不同地图的功能，通过一个下拉列表框就可以顺利解决。 , 地图移动客户端的窗口具有一定的大小，而地图通常会比较大，不可能全部显示出来。为了能让用户看到地图因客户端的窗口太小而被遮盖的部分，就必须具有地图移动的功能。通过鼠标的托拽，地图可以自由的移动，这是一个用户早已习惯的设计。 , 地图定位地图上的每一点都有其确定的位置坐标(经纬度)。用户在观察地图的时候经常会想知道某一些点的经纬度，尽管那些位置并没有APRS电台的出现。让鼠标在地图上移动时自动报告各点的经纬度，就可以很容易的实现地图定位地功能。用户想知道哪一点的经纬度，只需要把鼠标移到那一点就可以了。 , APRS电台显示 APRS电台的显示是客户端最为关键的部分，只有在地图上显示出APRS电台的图标才能让用户得知被跟踪物体的位置。我们要根据从服务器端接收的数据包中APRS电台的经纬度在地图上的相应位置进行APRS电台图标的绘制。 , APRS电台信息查询一个APRS电台除了经纬度之外还有很多其它的信息，比如源电台的呼号和SSID、目标电台的呼号和SSID、时间戳、评论等。通过鼠标双击地图上APRS电台图标，显示出相应APRS电台的所有信息是一个很重要也很有价值的功能。 2(4 模块划分我们正在忙碌地建设我们生活的这个世界，而且我们正在电脑空间建立我们物理空间的复制品，网络上甚至有了可以存款的银行。互联网已经渗透到各行各业，信息高速公路上奔驰着越来越多的信息。随着Internet技术的不断发展和人们对APRS的需求，利用Internet在Web上发布APRS数据，为用户提供APRS的各种服务，已经成为众望所归的选择。根据如图2,2所示的APRS系统结构图，可以把APRS客户端系统划分为以下几个模块: 1. 包含Applet的网页编程模块用户通过HTTP协议请求包含Applet的HTML页面，当浏览器遇到和这一对标记时，就下载相应的Applet代码并在本地计算机上执行。虽然这一模块非常简单，但是它是必不可少的。在这一模块中，可以对网页进行美工方面的设计与编程，使网页更加美观，更加吸引用户。 2. Applet中的Swing编程模块当浏览器下载相应的Applet并在本地计算机上开始运行的时候，Swing编程模块便开始工作了。在Applet进行初始化的时候，Swing编程模块先绘制默认情况下的地图，并且在一个下拉列表框中列出所有可以选择的地图名称，它还制造出一个新的线程用来进行Socket连接。接下来，Swing编程模块就要进行各种相应，如鼠标滑动时要显示滑过各点的经纬度，鼠标左键双击时要显示APRS电台的详细信息，鼠标拖拽时要进行地图的移动，从服务器端接收到包含APRS电台信息的数据包时要在相应的位置绘制APRS电台图标，从下拉列表框中选择地图时要绘制被选中的地图等。图 2,2 APRS系统结构图 3. Applet中的Socket编程模块 Socket是面向客户/服务器模型设计的，网络上的两个程序通过一个双向的通讯连接实现数据的交换，这个双向链路的一端称为一个Socket。Socket通常用来实现客户方和服务方的连接。客户程序可以向Socket写请求，服务器将处理此请求，然后通过Socket将结果返回给用户。Socket通信机制提供了两种通信方式:有连接(TCP)和无连接(UDP)方式，分别面向不同的应用需求。使用有连接方式时，通信链路提供了可靠的，全双工的字节流服务。在该方式下，通信双方必须创建一个连接过程并建立一条通信链路，以后的网络通信操作完全在这一对进程之间进行，通信完毕关闭此连接过程。使用无连接方式时其系统开销比有连接方式小，但通信链路提供不可靠的数据报服务，不能保证信源所传输的数据一定能够到达信宿。在该方式下，通信双方不必创建一个连接过程和建立一条通信链路，网络通信操作在不同的主机和进程之间转发进行。由于APRS对数据包正确性，完整性，可靠性的要求，采用TCP方式来进行通信。客户端和服务器端发送的数据包都由两部分组成:Packet head和Packet data。Packet head指定数据包的类型,分为REG(客户端发送到服务器端的注册包)、URR(客户端发送到服务器端的反注册包)、DTA(服务器端发送到客户端的数据包)、ACK (Acknowlegement)四种。具体的通信过程如下: , 服务器在1401端口监听，客户端以TCP方式连接服务器。 , 客户端成功连接至服务器后，须发送一个REG注册包到服务器。 , 服务器认为注册包信息完整正确后会回复一个ACK给客户端，告诉客户端连接成功。 , 服务器会在之后的离散时间里随机地给客户端发送数据包，直到收到客户端的反注册包或客户端的TCP连接断开为止。 , 这些数据包是基本上参照APRS标准协议的，含有站点的经纬度，时间戳，自定义文本等信息，客户端需要将这些信息解析出来，并显示在地图的相应坐标上。 , 客户端最后发送反注册包URR并断开连接。 2(5 本章小结在本章中，我们根据简单易用、直观明了、便于APRS普及的原则完成了系统的总体设计。我们选定Java Applet作为系统的程序类型，采用UI-View地图作为系统的地图。接下来，我们介绍了系统所要具备的功能，并对系统进行了模块划分。第三章 APRS客户端软件系统详细开发在开发软件系统的时候，我们通常会把系统划分为若干个功能相对分离的模块，然后逐个模块的进行详细开发。对于Java来说，一个模块就是相互关联，相互使用的一些类的集合。在进行总体设计的时候，我们已经把APRS客户端软件系统划分为三个模块:包含Applet的网页编程模块，Applet中的Swing编程模块，Applet中的Socket编程模块。除了网页编程模块之外，另外的两个模块我们都采用Java来开发，也就是我们要开发一些类来实现这两个模块要实现的功能。接下来，我们就逐个模块的进行详细开发，并对其中遇到的技术难点和解决之法进行详细说明。在这之前让我们来看一下系统的文件结构图，如图3,1所示。 3(1 网页编程模块详细开发 Applet小应用程序必须嵌入到HTML页面中，才能得到解释执行;同时Applet可以从Web页面中获得参数，并和Web页面进行交互。含有Applet的网页的HTML文件代码中必须带有和这样一对标记，当支持Java的网络浏览器遇到这对标记时，就将下载相应的小应用程序代码并在本地计算机上执行该Applet。这个HTML文件中关于Applet的信息至少应包含以下三点: , 字节码文件名(编译后的Java文件，以.class为后缀) , 字节码文件的地址 , 在网页上显示Applet的方式一个HTML文件增加Applet有关的内容只是使网页更富有生气，它并不会改变HTML文件中与Applet无关的元素。在我们的系统中，本模块就是一个APRSClient.html文件，其中最为重要的代码就是，它是整个HTML文件代码的关键所在。下面我们就对与Applet应用有关的参数作一个简单说明。 , CODE标记 CODE标记指定Applet的类名，WIDTH和HEIGHT标记指定Applet窗口的象素尺寸。在Applet语句里还可使用其它一些标记。 , CODEBASE标记 CODEBASE标记指定Applet的URL地址。Applet的通用资源定位地址URL，它可以是绝对地址，也可以是相对于当前HTML所在目录的相对地址。如果HTML文件不指定CODEBASE标记，浏览器将使用和HTML文件相同的URL。 , ATL标记虽然Java在WWW上很受欢迎，但并非所有浏览器都对其提供指出。如果某浏览器无法运行Java Applet，那么它在遇到Applet语句时将显示ATL标记指定的文本信息。 , ALIGN标记 ALIGN标记可用来控制把Applet窗口显示在HTML文档窗口的什么位置。与HTML语句一样，ALIGN标记指定的值可以是TOP、MIDDLE或BOTTOM。 , VSPACE与HSPACE标记 VSPACE和HSPACE标记指定浏览器显示在Applet窗口周围的水平和竖直空白条的尺寸，单位为象素。 , NAME标记 NAME标记把指定的名字赋予Applet的当前实例。当浏览器同时运行两个或多个Applet时，各Applet可通过名字相互引用或交换信息。如果忽略NAME标记，Applet的名字将对应于其类名。 , PARAM标记通用性是程序设计所追求的目标之一。使用户或者程序员能很方便地使用同一个Applet完成不同地任务是通用性地具体表现。从HTML文件获取信息是提高Applet通用性地一条有效途径。假设编制了一个把某公司的名字在屏幕上卷动的Applet。为了使该Applet更加通用，则可以使该Applet从HTML文件获取需要卷动的文本信息。这样，若想显示另一个公司的名字，用不着修改Java Applet本身，只需要修改HTML文件即可。PARAM标记可用来在HTML文件里指定参数，格式如下所示: PARAM Name,“name” Value=“Sky” Java Applet可调用getParameter方法获取HTML文件里设置的参数值。图 3,1 系统文件结构图(.class文件省略) 3(2 Swing编程模块详细开发本模块是整个系统最为重要的模块，所有与用户界面和用户交互有关的功能全都由本模块来实现。在本模块众多类中，最为重要的是一个继承自javax.swing.JApplet类的一个子类APRSClient，它也是整个系统的关键和精华所在。接下来，我们就详细介绍这些类，以及在设计开发这些类时所遇到的问题及其解决之法。 3(2(1 类开发 APRSClient类是JApplet类的一个子类，它从JApplet类中继承了init()函数，而这个函数是由浏览器最先自动调用的，因此可以说init()函数是整个程序的入口。在APRSClient类的init()函数中，我们取得了maps目录下所有地图图像文件的名字，并把这些名字放在了一个ArrayList数据结构中。为了得到默认情况下的当前地图，我们把ArrayList数据结构中第零位的地图图像名字赋值给APRSClient类的一个字符串类型的数据成员currentMap。根据currentMap的值，我们取得了当前地图对应的信息文件。通过解析此信息文件的内容，我们得到了地图左上角和右下角的经纬度，并把它们分别赋值给了APRSClient类的字符串类型的数据成员:leftTopLongitude，leftTopLatitude，rightBottomLongitude，rightBottomLatitude。关于如何取得maps目录下所有地图图像文件的名字以及如何取得当前地图对应的信息文件，这是开发本模块时所遇到的技术难题，将在下面进行详细讨论。接下来我们创建了两个内部类的对象，这两个内部类是继承自JPanel类的两个子类:MapPanel类和BottomPanel类。MapPanel类实现了地图和APRS电台图标绘制，鼠标移动时显示当前位置经纬度，鼠标拖拽时移动地图，鼠标双击APRS电台图标时弹出对话框显示此APRS电台的详细信息，接收到Message类型的数据包时弹出对话框显示此消息的内容。BottomPanel类比较简单，它创建了两个文本框供鼠标移动时当前位置经纬度的显示，它还创建了一个下拉列表框供ArrayList数据结构中所有地图名字的显示，并让用户能够根据不同需求更换当前地图。在MapPanel类的构造函数中，我们先创建了一个HashMap类型的数据结构，通过Socket编程模块，可以把所有接收到的数据包存放在HashMap数据结构中。如果是Message类型的数据包，则以字符串“MESSAGE”作为key;如果是Station类型的数据包，则以数据包中APRS电台的呼号作为key。接下来我们添加了所有必须的鼠标事件的响应函数。地图和APRS电台图标的绘制是由MapPanel类中的paint()函数来完成的。初始化程序或者移动地图或者选择地图或者接收到新的Station类型的数据包时，都会调用这个函数来重新绘制地图和APRS电台图标。在这个函数中，我们还用APRS电台图标所在的矩形区域来构造Rectangle2D的对象，放在了一个ArrayList数据结构中;同时以这些Rectangle2D对象作为key，以对应的APRS电台的信息数据包作为value放在了一个HashMap数据结构中。这两个数据结构会在鼠标双击事件的响应函数中被使用。由于paint()函数和各个鼠标事件的响应函数都比较简单，就不多加解释了。在鼠标双击事件的响应函数，鼠标移动事件的响应函数以及paint()函数中都要进行屏幕坐标和地图经纬度之间的换算，所以我们设计开发了一个 Transformation类。在构造Transformation类时，我们需要传递地图左上角和右下角的经纬度，地图左上角相对于屏幕窗口原点的坐标以及地图图像的长度和宽度作为其构造函数的参数。在Transformation类中，我们可以把屏幕坐标(象素表示)转换成DD.MM.mm格式的经纬度(字符串)，也可以把以秒表示的经纬度(int型整数)转化成屏幕坐标(象素表示)。为了区分东西经和南北纬，我们假设东经和北纬是正数，西经和南纬是负数。由于我们选择了UI,View地图作为我们系统的地图，而UI,View地图最大的特点就是地图的顶部是正北方，经度随X轴线性变化，纬度随Y轴线性变化，所以换算比较简单。在具体的编码过程中，纬度随着Y轴的递增而递减，换算较经度比较方便。具体的函数代码如下所示: public String toLatitude(int y) { int top = toSeconds(leftTopLatitude); int bottom = toSeconds(rightBottomLatitude); int latitude = top-(int)(top-bottom)*(y-originalY)/imageHeight; //System.out.println(latitude); return toLat(latitude); } 这是把Y坐标转换成纬度(字符串)的函数，而把纬度(int型整数)转化成Y坐标的函数代码如下所示: public int toY(int latitude) { int top = toSeconds(leftTopLatitude); int bottom = toSeconds(rightBottomLatitude); int y = originalY+(int)imageHeight*(top-latitude)/(top-bottom); return y; } 在经度和X坐标互相换算的过程中，由于东西经180度是重合的，经度随着X 轴的递增并不是规则的线性变化，存在着正负180的突变，所以必须分情况进行计算，具体代码如下所示: public String toLongitude(int x) { int left = toSeconds(leftTopLongitude); int right = toSeconds(rightBottomLongitude); if(left=left) { int x=originalX+(int)(longitude-left)*imageWidth/ (360*3600+right-left); return x; } else { int x=originalX+distance180+(int)(longitude+180*3600)* (imageWidth-distance180)/(right+180*3600); return x; } } } 介绍完本模块中重要的类以后，就让我们接着介绍在开发这些类的过程中遇到的技术难点以及解决之法。 3(2(2 技术难点及解决之法在开发Swing编程模块时，我们遇到了两个难题。一个是在Applet中读取文件，另一个是在Applet中list某个目录下的文件。 , 在Applet中读取文件在Java Applet中出于安全性的考虑，Applet是不允许对文件进行操作的，不仅不允许写文件，而且不允许读文件。尽管我们在编制Applet时即使用了文件操作的语句Java也不会报错，在Applet Viewer中调试时也能够正常运行，但当我们在浏览器中运行这个Applet时浏览器就会报错。解决这个问题的诀窍就是我们不要将这些服务器上的文件作为普通文件来处理，而是将它们作为网络资源来获取它们的内容。在Java中可用于获取网络资源的类主要有两种，一是URL类，另一个是URLConnection类。两个类都提供了以字节流的方式读取资源信息的方法，而且可以对资源信息的类型作出判断，以便作相应的处理。不同之处是URLConnection类可提供的信息比URL类要多得多，它除了可以获取资源数据外，还可以提供资源长度、资源发送时间、资源最新更新时间、资源编码、资源的标题等许多信息。下面就是我们使用URL类和URLConnection类获取当前地图对应的信息文件内容并对APRSClient类的成员变量leftTopLongitude，leftTopLatitude，rightBottomLongitude，rightBottomLatitude进行赋值的函数代码。 public void setLongAndLat() { String infoFileName = currentMap + ".INF"; try { URL url = new URL(getCodeBase(), "/APRSClient/maps/"+infoFileName); //System.out.println(url); URLConnection con = url.openConnection(); con.setUseCaches(false); InputStream in = con.getInputStream(); BufferedReader d = newBufferedReader( new InputStreamReader(in)); String line = d.readLine().trim(); //System.out.println(line.length()); int comma = line.indexOf(","); leftTopLongitude = line.substring(0,comma).trim(); leftTopLatitude = line.substring(comma+1,line.length()).trim(); //System.out.println(leftTopLongitude+":"+leftTopLatitude); line = d.readLine().trim(); comma = line.indexOf(","); rightBottomLongitude = line.substring(0,comma).trim(); rightBottomLatitude = line.substring(comma+1,line.length()).trim(); //System.out.println(rightBottomLongitude+":"+rightBottomLatitude); } catch (Exception e) { System.out.println("set longitide and latitude fail!!"); e.printStackTrace(); } } , 在Applet中list某个目录下的文件同样出于安全性的限制，在Applet中是不允许使用list()函数的。虽然使用了list()函数的Applet在Applet Viewer中可以正常运行，但在浏览器中运行时就会发生错误。为了解决这个问题，我们采用了Applet和Servlet 通信的机制。Servlet完全运行在服务器端，没有安全性方面的限制，可以调用list()函数而正常运行。它可以处理web请求，并返回数据或者HTML。在我们的程序中，我们创建了一个HttpServlet类的子类ListMapFiles。在 ListMapFiles类中，我们调用了list()函数，把得到的地图图像文件名放在了一个字符串数组里面，再通过如下代码把地图名字(去掉后缀的地图图像文件名)写到返回请求的数据流中。 for(int i=0;i和元素，具体如下所示:

ListMapFiles

/ListMapFiles

这样我们就可以在APRSClient类中通过URL请求ListMapFiles这个Servlet 并且得到maps目录下所有地图的名字。具体的代码和前面在Applet中读取文件很类似，如下所示: try { //System.out.println(getCodeBase()); URL url = new URL(getCodeBase(),"/APRSClient/ListMapFiles"); //System.out.println(url); URLConnection con = url.openConnection(); con.setUseCaches(false); InputStream in = con.getInputStream(); BufferedReader d = new BufferedReader(new InputStreamReader(in)); String line = d.readLine(); while(line != null) { maps.add(line); line = d.readLine(); } } catch ( Exception e) { System.out.println("list map image files fail!!"); e.printStackTrace(); } 3(3 Socket编程模块详细开发本模块负责建立和APRS应用服务器的TCP连接，并解析从服务器端接收到的数据包，便于Swing编程模块的使用。同样地，我们将详细介绍本模块中的类以及在开发过程中所遇到的技术难点及其解决方法。 3(3(1 类开发本模块的核心是APRSInfo类，它是继承自Thread类的一个子类，所以代表的就是一个完成特定任务的线程。在APRSClient类中，我们创建了APRSInfo类的一个对象并且调用了它的start()函数，也就是说，我们在APRSClient类中制造了一个新的线程并且启动了这个线程。所有继承Thread类的子类都必须覆盖Thread类中的一个函数——run()函数。run()函数是由start()函数自动调用的，它会完成线程所要完成的任务。所以，我们在编写代码的时候，要把有关线程所要完成任务的代码都放在run()函数之中。当然，APRSInfo类也不会例外。在APRSInfo类中，我们覆盖了run()函数，在其中添加了和APRS应用服务器建立连接并解析收到的数据包的代码。由于Applet不能建立或接受外来的Socket连接。所谓外来的是指这个连接超出了提供这个Applet类文件的主机(不是提供引用这个Applet的HTML所在的主机)。由于APRSInfo类是在APRSClient类中被使用的，而APRSClient类就是一个Applet。所以，如果在APRSInfo类中建立或者接受了外来的Socket连接，APRSClient在运行时就会发生错误。为了解决这个问题，我们把Web服务器和APRS应用服务器建在了同一台机子上。由于在run()函数中和APRS应用服务器建立Socket连接时需要用到服务器的IP地址，所以我们在APRSClient类中通过取得Web服务器的IP地址并通过APRSInfo构造函数的参数来进行传递。在APRSClient类中取得Web服务器IP地址的代码如下所示: try { host = InetAddress.getByName(getCodeBase().getHost()); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } 其中host是一个InetAddress类型的变量，表示了Web服务器的IP地址。如下代码表示了如何把Web服务器的IP地址传递给APRSInfo类。 getInfo = new APRSInfo(this,stations,host); getInfo.start(); getInfo就是一个APRSInfo类的对象，这两行代码表示制造了一个APRSInfo类所代表的线程并且启动了这个线程。这两行代码是写在MapPanel内部类的构造函数之中的，所以参数中的this表示MapPanel类的对象，而stations表示存放解析后的数据包的HashMap数据结构。在APRSInfo类中，使用这两个变量的代码如下所示: APRSPacket packet = new APRSPacket(str); if(packet.isMessage()) { synchronized(stations) { stations.put("MESSAGE",packet); } } else { String callSign = packet.getCallSign(); synchronized(stations) { stations.put(callSign,packet); } } mapPanel.repaint(); APRSPacket是对接收到的数据包进行解析并重新打包的类。我们把重新打包的数据以key,value的形式存放在stations这个HashMap数据结构中，并调用mapPanel的repaint()函数让mapPanel重画地图和APRS电台的图标，而mapPanel在重画的时候也就可以很方便地使用stations数据结构中的数据包了。APRSPacket类接收有特定格式的字符串类型的数据包，然后对数据包进行了解析和重新打包。由于APRSPacket类进行的都是对字符串的处理，所以比较简单，我们也就不多加解释了。 3(3(2 技术难点及解决之法在和APRS应用服务器建立连接后，需要发送一个正确完整的REG注册包才能得到确认，之后才能接收到有关APRS电台的数据包。但是APRS应用服务器是用C/C++开发的，而注册包是C/C++中相对于Java独有的结构体格式，并且Java和C/C++具有不同的字节序，所以按照结构体中的变量直接传送变量值是不能解决问题的。为此，我们开发了一个Packet类专门用来处理Java和C/C++字节序不同的问题。注册包的结构体如下所示: struct Packet { int type; int len; CString sno; }; 在Packet类中，我们改变了int型整数和字符串的字节序，这样就可以和C/C++ 中结构体相匹配了。具体代码如下所示: public class Packet { private byte[] buf = new byte[18]; private static byte[] toLH(int n) { byte[] b = new byte[4]; b[0] = (byte) (n & 0xff); b[1] = (byte) (n >> 8 & 0xff); b[2] = (byte) (n >> 16 & 0xff); b[3] = (byte) (n >> 24 & 0xff); return b; } public Packet(int type,int len,String sno) { byte[] temp = toLH(type); System.arraycopy(temp, 0, buf, 0, temp.length); temp = toLH(len); System.arraycopy(temp, 0, buf, 4, temp.length); temp = sno.getBytes(); System.arraycopy(temp, 0, buf, 8, temp.length); } public byte[] getBuf() { return buf; } } 在使用时我们只要创建一个Packet类的对象并调用它的getBuf()函数，返回的就是和C/C++结构体相匹配的注册包了。 3(4 本章小结在本章中，我们根据第二章中对系统所划分的模块，逐个地进行了详细开发。无论是模块所使用的关键技术，还是模块中重要的类，或者是开发过程中所遇到的技术难题的解决，都进行了详细的说明，使整个系统的开发一幕了然，跃然纸上。第四章总结在设计开发这个系统之前，APRS对于我来说，完全是一个新鲜的闻所未闻的概念。从了解APRS开始，到完成整个系统的开发，在此之间，我学会了很多无法从书本上得到的知识。首先，我学会了从网上浩如烟海的信息中寻找有用的资料。无论是APRS的介绍，APRS的协议，APRS的地图还是在开发过程中遇到的难题的解决，都可以在网上找到合适的资料。其次，我对Java Applet开发有了更加深入的了解，包括其安全性方面的限制。Java Applet的“沙盒操作”是它在安全性方面的优点，但同时也成为了程序员开发Applet时的桎梏。所幸的是仍然存在很多的方法可以跨越Applet安全性方面的这个限制，比如Applet和Servlet的通信机制，这也是我在系统开发过程中所用到的。总之，通过毕业设计的这次系统开发，我在编程方面得到了很好的锻炼和成长，在这要忠心地感谢导师的细心指导。参考文献 , The APRS Working Group，APRS PROTOCOL REFERENCE(Protocol Version 1.0)，29 August 2000. , Bruce Eckel， Java编程思想(第二版)，机械工程出版社，2002年9 月，P496,P649。 , 荣新华 BD6CR/4，自动位置报告系统APRS，2004年12月18日@无锡。 , Steve Dimse KO4HD，javAPRS Implementation of the APRS Protocols in Java. , Cay S.Horstmann，Gray Cornell，Core Java(Seventh Edition)，Prentice Hall PTR，August 17 2004.

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